Distribusi uap, perangkap uap, dan kondensat: ukuran pipa, kantong kondensat, jenis dan uji perangkap, palu air, isolasi, dan pengembalian kondensat

Setiap pagi, ketika operator membuka katup uap utama ke ruang setrika, pipa uap berbunyi keras seperti dipukul palu beberapa kali, lalu diam. Dua pengering di ujung jalur lambat panas, dan operator harus menunggu hampir setengah jam sebelum memasukkan beban pertama. Teknisi menelusuri jalur itu dan menemukan tiga hal: pipa uap turun di bawah balok lalu naik lagi tanpa titik pembuangan kondensat di titik rendahnya, satu perangkap uap dipakai bersama untuk dua pengering, dan kondensat dari semua peralatan dibuang langsung ke saluran lantai.

Ketiga temuan itu saling berhubungan. Kondensat yang terkumpul semalaman di titik rendah didorong uap ketika katup dibuka, menghantam belokan, dan menimbulkan bunyi pukulan. Perangkap bersama membuat satu pengering menahan kondensat sementara yang lain lewat. Kondensat yang dibuang membuang air lunak yang sudah diolah dan panas yang masih tinggi. Bab ini menjelaskan cara uap diantarkan ke peralatan dan cara kondensatnya dikeluarkan dan dikembalikan.

Batas pembahasan

Bab ini membahas pipa uap jenuh, perangkap uap, dan saluran kondensat di laundry, dapur, dan rumah sakit, dari header boiler sampai peralatan dan kembali ke tangki air umpan. Sifat uap, tabel uap, dan uap kilat ada di bab sifat uap, boiler di bab boiler, dan mutu air serta blowdown di bab pengolahan air boiler. Keselamatan uap, luka bakar, dan isolasi energi sebelum membuka pipa ada di bab panas dan uap dan bab isolasi energi non-listrik. Katup secara umum ada di Bab 12 · Bangunan & Fasilitas, perpindahan panas dan isolasi di Fisika 208, dan pemuaian termal di Fisika 183. Sumbernya adalah narasi Utilitas Industri, narasi Fluida dan Termal, materi pelatihan boiler laundry rumah sakit di Drive pemilik, tabel uap IAPWS-IF97, dan pengetahuan teknik umum yang ditandai di peta sumber. Ukuran pipa, kapasitas perangkap, dan ketebalan isolasi yang dipasang mengikuti perancang dan data pabrik; angka di bab ini adalah angka latihan atau nilai literatur umum.

Susunan sistem distribusi uap

Materi pelatihan boiler laundry rumah sakit menggambarkan susunan yang lazim: air masuk melalui pelunak, pompa air lunak mengisi boiler, uap dari boiler masuk ke header uap, lalu dibagi ke washer, pengering, dan setrika gulung melalui set katup penurun tekanan, katup, dan pipa lentur, dengan perangkap uap di keluaran setiap peralatan. Pada gambar itu kondensat dari peralatan dialirkan ke saluran pembuangan. Susunan seperti itu bekerja, tetapi membuang air dan panas (Contoh 8); bagian akhir bab ini membahas pengembalian kondensat.

Jalur uap yang baik memenuhi lima syarat: uap sampai pada tekanan yang cukup, uap sampai dalam keadaan kering, udara dibuang saat mulai, kondensat dibuang secepat terbentuk, dan pipa dapat memuai tanpa merusak tumpuan dan sambungan.

Ukuran pipa uap

Pipa uap dipilih dari laju uap, tekanan, dan kecepatan yang diizinkan, seperti di bab sifat uap. Kecepatan uap jenuh di pipa distribusi sering dibatasi sekitar 25 sampai 35 m/s (nilai literatur umum). Pipa yang terlalu kecil menyebabkan rugi tekan besar sehingga tekanan di peralatan turun, seperti setrika pada kasus bab sifat uap, serta bising dan erosi. Pipa yang terlalu besar mahal, lambat panas, dan kehilangan panasnya besar.

Laju uap yang sama memerlukan pipa jauh lebih besar pada tekanan rendah (Contoh 2). Karena itu uap didistribusikan pada tekanan yang lebih tinggi lalu diturunkan dekat peralatan. Rugi tekan dihitung dengan grafik atau rumus rugi gesek pipa; buku katup dan perpipaan dalam narasi menunjukkan bahwa rugi tekan dapat dihitung dari grafik yang disediakan, dan rak Fluida dan Bangunan menjelaskan dasar rugi gesek.

Materi pelatihan menyebut pipa baja schedule 40 untuk instalasi uap dan menjelaskan bahwa schedule adalah ukuran tebal dinding. Materi yang sama juga menulis bahwa angka 40 merujuk pada ketahanan 40 bar. Pernyataan kedua itu keliru: nomor schedule adalah deret tebal dinding, bukan tekanan dalam bar. Tekanan yang diizinkan untuk sebuah pipa bergantung pada diameter, bahan, suhu, cara penyambungan, dan standar perancangan yang dipakai, sehingga diperiksa dari standar dan perancang, bukan dari nomor schedule.

Kemiringan, kantong kondensat, dan titik rendah

Uap mulai mengembun begitu masuk pipa, terutama saat pipa masih dingin pada pagi hari (Contoh 1). Kondensat harus mengalir ke titik pembuangan, bukan terkumpul:

1. Kemiringan: pipa uap utama dipasang menurun ke arah aliran, sekitar 1:100 sampai 1:250 (nilai literatur umum), sehingga kondensat mengalir searah dengan uap.
2. Kantong kondensat: di setiap titik rendah, di ujung pipa, sebelum katup penurun tekanan, sebelum katup kendali, dan pada jarak tertentu di pipa lurus yang panjang, dipasang kantong berdiameter cukup besar dengan perangkap di bawahnya. Lubang kecil di dasar pipa tidak cukup, karena kondensat yang mengalir cepat melewatinya.
3. Cabang dari atas: pipa cabang ke peralatan diambil dari atas pipa utama agar kondensat di dasar pipa utama tidak ikut masuk.
4. Naik setelah turun: bila pipa harus turun lalu naik, misalnya melewati balok seperti pada kasus pembuka, titik rendahnya diberi kantong dan perangkap.

Buku katup dan perpipaan dalam narasi membahas perlakuan khusus untuk pipa panjang, misalnya lebih dari sekitar 100 m, dengan laju kondensat besar.

Pemuaian, tumpuan, dan jangkar

Pipa baja memanjang sekitar 12 mm per meter per 1.000 °C kenaikan suhu (nilai literatur umum untuk baja karbon), seperti dijelaskan di Fisika 183. Pipa uap 50 m yang dipanaskan dari suhu ruang sampai suhu uap 8 bar memanjang hampir 9 cm (Contoh 9). Pemuaian itu harus diserap oleh belokan, lengkung pemuaian, atau sambungan muai, dengan jangkar yang menahan pipa di titik tertentu dan pemandu yang mengarahkan pemuaian. Buku komponen plumbing dalam narasi mencatat bahwa jangkar dipasang untuk menahan sistem pipa terhadap pemuaian dan penyusutan, dan pemandu pemuaian dipakai bila arah pemuaian penting. Pipa yang dijepit mati di kedua ujung tanpa ruang muai akan melengkung, merusak tumpuan, atau mematahkan sambungan pada peralatan, termasuk sambungan pipa lentur ke mesin cuci yang bergetar.

Isolasi pipa

Pipa uap yang tidak diisolasi kehilangan panas besar, dan panas yang hilang itu muncul sebagai kondensat tambahan yang harus dibuang. Buku katup dan perpipaan dalam narasi memuat tabel pancaran panas dari pipa horizontal telanjang, dan buku plumbing praktis memuat tabel ketebalan isolasi yang dianjurkan untuk rentang suhu tertentu. Materi pelatihan menyebut isolasi wol batuan untuk pipa uap.

Pipa telanjang ukuran sedang pada suhu uap laundry dapat kehilangan beberapa ratus watt per meter, sedangkan dengan isolasi yang baik hanya beberapa puluh watt per meter (nilai literatur umum; Contoh 3). Katup, flens, dan saringan yang dibiarkan telanjang juga kehilangan panas besar; selubung isolasi yang dapat dilepas memudahkan perawatan tanpa membiarkannya telanjang. Isolasi yang basah oleh bocoran kehilangan sebagian besar kemampuannya dan mempercepat korosi di bawahnya, sehingga bocoran diperbaiki sebelum isolasi diganti.

Stasiun katup penurun tekanan

Materi pelatihan menggambarkan set katup penurun tekanan antara header dan peralatan. Susunan stasiun yang lazim, dari hulu ke hilir:

1. Katup isolasi.
2. Pemisah uap atau kantong kondensat dengan perangkap, agar uap yang masuk kering.
3. Saringan; buku katup dan perpipaan dalam narasi menganjurkan saringan dipasang dekat masukan katup agar katup tetap bersih.
4. Katup penurun tekanan dengan manometer di hulu dan hilir.
5. Katup pengaman di hilir, karena peralatan di hilir mungkin hanya dirancang untuk tekanan rendah; bila katup penurun tekanan gagal terbuka, tekanan hulu akan masuk ke peralatan.
6. Katup isolasi hilir, dan bila ada, jalur pintas dengan katup yang biasanya tertutup dan terkunci.

Jalur pintas yang dibiarkan terbuka sebagian "untuk menambah uap" membuat penurun tekanan tidak berfungsi dan memasukkan tekanan tinggi ke peralatan.

Perangkap uap: tugas dan jenis

Buku termodinamika dalam narasi menjelaskan bahwa perangkap membiarkan cairan dicekik ke tekanan yang lebih rendah tetapi menahan uap. Tugas perangkap ada tiga: membuang kondensat, membuang udara dan gas tak terkondensasi terutama saat mulai, dan menahan uap hidup.

Buku pegangan operasi instalasi pengolahan air dan air limbah dalam narasi menampilkan perangkap pelampung dan termostatik, dan buku katup dan perpipaan mencatat bahwa ven udara jenis tekanan seimbang adalah jenis yang paling banyak diterima. Tidak ada satu jenis yang terbaik untuk semua titik; jenis dipilih menurut tugas.

Memilih dan memasang perangkap

Hal yang diperhatikan saat memilih:

1. Beban kondensat, termasuk beban mulai pagi hari yang dapat beberapa kali beban tunak. Kapasitas perangkap sering dipilih dua sampai tiga kali beban tunak (nilai literatur umum; Contoh 6).
2. Beda tekanan di perangkap, yaitu tekanan di peralatan dikurangi tekanan balik di saluran kondensat. Mengangkat kondensat ke pipa kembali yang lebih tinggi menambah tekanan balik sekitar 0,1 bar per meter tinggi.
3. Peralatan dengan kendali suhu: ketika katup kendali menurunkan tekanan di kumparan, beda tekanan di perangkap dapat hilang dan kondensat tertahan. Pengering dan penukar panas berkendali suhu memerlukan perangkap pelampung dan termostatik, dan kadang pompa kondensat.

Aturan pemasangan:

1. Satu perangkap untuk satu peralatan. Perangkap bersama untuk dua peralatan, seperti pada kasus pembuka, membuat peralatan dengan tekanan sedikit lebih rendah tidak dapat membuang kondensatnya.
2. Saringan sebelum perangkap, dan katup isolasi di kedua sisi untuk perawatan.
3. Titik uji setelah perangkap, berupa kaca intip atau katup uji. Buku katup dan perpipaan dalam narasi menampilkan unit yang memungkinkan perangkap diperiksa saat bekerja.
4. Perangkap dipasang di bawah titik keluar kondensat peralatan, dengan pipa masuk yang menurun ke perangkap.

Menguji perangkap

Perangkap gagal dengan dua cara: gagal terbuka, membuang uap hidup terus-menerus, dan gagal tertutup, menahan kondensat sehingga peralatan terendam dan lambat panas. Cara memeriksanya:

1. Melihat di titik uji atau kaca intip. Uap kilat keluar sebagai awan putih yang malas dan terputus-putus bersama air; uap hidup keluar sebagai semburan terus-menerus yang hampir bening di mulut pipa. Uap kilat selalu ada pada perangkap yang sehat, seperti di bab sifat uap, sehingga awan putih saja bukan tanda perangkap bocor.
2. Mengukur suhu di hulu dan hilir. Hulu yang jauh lebih dingin daripada suhu jenuh menunjukkan kondensat tertahan. Hilir selalu panas karena uap kilat, sehingga suhu hilir saja tidak membuktikan kebocoran.
3. Mendengarkan dengan alat ultrasonik atau batang pendengar: siklus buka tutup yang teratur pada perangkap cakram atau ember menunjukkan kerja normal; desis terus-menerus menunjukkan kebocoran.

Kebocoran uap dari perangkap yang gagal terbuka mahal. Rumus empiris yang lazim untuk aliran uap melalui lubang memperkirakan bahwa lubang 3 mm pada 8 bar melepaskan sekitar 20 kg/jam uap (nilai literatur umum; Contoh 4). Survei perangkap berkala, misalnya setahun sekali atau lebih sering untuk perangkap besar, dicatat per nomor perangkap.

Palu air

Palu air pada pipa uap terjadi ketika kondensat yang terkumpul didorong uap dengan kecepatan tinggi dan menghantam belokan, katup, atau ujung pipa, atau ketika uap tiba-tiba mengembun di dalam genangan kondensat dan airnya menghantam. Gaya hantaman dapat memecahkan katup, flens, kaca intip, dan badan perangkap, dan melepaskan uap ke ruang kerja.

Penyebab yang lazim:

1. Titik rendah tanpa kantong kondensat, seperti pada kasus pembuka.
2. Katup utama dibuka cepat ketika pipa masih dingin dan berisi kondensat.
3. Perangkap gagal tertutup sehingga kondensat menumpuk.
4. Pipa melengkung di antara tumpuan sehingga ada lekukan tempat air terkumpul.
5. Kondensat diangkat setelah perangkap ke pipa yang berisi uap kilat, sehingga uap mengembun mendadak.

Pencegahannya: kantong kondensat di titik rendah, kemiringan yang benar, katup utama dibuka perlahan dengan pembuangan pemanasan dibuka lebih dulu, perangkap yang bekerja, dan tumpuan pipa yang cukup rapat. Bunyi pukulan bukan hal biasa yang boleh dibiarkan; itu kondisi berhenti.

Pengembalian kondensat dan uap kilat

Kondensat adalah air lunak yang sudah diolah dan masih panas. Mengembalikannya ke tangki air umpan menghemat air, bahan kimia pengolahan, dan bahan bakar, seperti dihitung di bab boiler untuk air umpan yang lebih dingin. Bab 1 menekankan bahwa kondensat dicatat sebagai aliran terukur dan tidak semua kondensat layak dikembalikan; kondensat dari penukar panas yang dapat tercemar kimia atau air proses diperiksa lebih dulu, misalnya dengan konduktivitas.

Saluran kondensat setelah perangkap berisi campuran air dan uap kilat, sehingga ukurannya dipilih untuk volume uap kilat, bukan hanya air. Buku katup dan perpipaan dalam narasi, ketika menghitung ukuran pipa kondensat, menganggap kecepatan uap kilat sekitar 15 m/s. Uap kilat dari kondensat bertekanan tinggi dapat dipisahkan di bejana kilat dan dipakai pada tekanan rendah, misalnya untuk memanaskan air umpan atau air proses (Contoh 7); ini dibahas lebih lanjut di bab efisiensi energi rak ini. Pompa kondensat dipakai bila kondensat harus diangkat lebih tinggi daripada yang dapat didorong oleh beda tekanan perangkap.

Contoh kerja

Contoh 1. Kondensat saat pemanasan pagi. Pipa uap 50 m ukuran 2 inci schedule 40 bermassa sekitar 5,44 kg/m, yaitu sekitar 272 kg baja. Dipanaskan dari 30 °C sampai 175,4 °C (uap 8 bar) dengan kalor jenis baja sekitar 0,49 kJ/(kg·K), panasnya $272 \times 0{,}49 \times 145{,}4 = 19.380$ kJ. Dengan kalor laten 2.030 kJ/kg, terbentuk sekitar 9,5 kg kondensat. Bila pemanasan berlangsung 15 menit, beban kondensatnya sekitar 38 kg/jam, belum termasuk kehilangan panas.

Contoh 2. Kecepatan uap. Pipa 2 inci schedule 40 berdiameter dalam sekitar 52,5 mm, luas $2{,}16 \times 10^{-3}$ m². Uap 500 kg/jam pada 8 bar ($v_g = 0{,}215$ m³/kg) mengalir sekitar 13,8 m/s. Laju yang sama pada 2 bar ($v_g = 0{,}603$ m³/kg) mengalir sekitar 38,7 m/s, terlalu cepat untuk pipa itu.

Contoh 3. Isolasi. Pipa pada Contoh 1 kehilangan sekitar 0,40 kW/m bila telanjang dan 0,05 kW/m bila diisolasi (angka latihan). Untuk 50 m: 20 kW dibanding 2,5 kW, yaitu kondensat sekitar $20/2.030 \times 3.600 = 35$ kg/jam dibanding sekitar 4,4 kg/jam. Selisih 17,5 kW selama 4.000 jam setahun adalah 70.000 kWh panas.

Contoh 4. Perangkap yang bocor. Rumus empiris aliran uap melalui lubang memperkirakan bahwa lubang 3 mm pada 8 bar melepaskan sekitar 20 kg/jam uap (nilai literatur umum, untuk lubang terbuka penuh). Selama 4.000 jam setahun: sekitar 80 ton uap. Bila biaya uap sekitar Rp900.000 per ton (angka latihan dari bahan bakar di bab boiler), kerugiannya sekitar Rp72.000.000 per tahun dari satu perangkap.

Contoh 5. Tekanan balik karena mengangkat kondensat. Perangkap di keluaran pengering 7 bar harus mengangkat kondensat 6 m ke pipa kembali di plafon. Tinggi itu menambah tekanan balik sekitar $1.000 \times 9{,}81 \times 6 = 58.900$ Pa, yaitu sekitar 0,59 bar. Bila tekanan di pipa kembali 0,2 bar, beda tekanan perangkap sekitar $7 - 0{,}59 - 0{,}2 = 6{,}2$ bar ketika pengering bekerja penuh, tetapi turun mendekati nol bila katup kendali menurunkan tekanan kumparan di bawah sekitar 0,8 bar.

Contoh 6. Kapasitas perangkap. Pengering dengan beban kondensat tunak 211 kg/jam (dari bab sifat uap) dipasang perangkap dengan kapasitas sekurang-kurangnya $2 \times 211 = 422$ kg/jam pada beda tekanan kerjanya, dan lebih besar bila beban mulai pagi hari jauh lebih besar (faktor literatur umum).

Contoh 7. Uap kilat ke bejana bertekanan rendah. Kondensat 8 bar ($h_f = 743$ kJ/kg) dilepas ke bejana kilat 0,5 bar (1,51 bar mutlak, $h_f = 468$ kJ/kg, $h_{fg} = 2.226$ kJ/kg). Fraksi uap kilat $(743 - 468)/2.226 = 0{,}124$, yaitu 12,4 persen, bersuhu sekitar 111,6 °C dan dapat dipakai untuk pemanasan bertekanan rendah.

Contoh 8. Nilai kondensat yang dibuang. Laundry membuang 300 kg/jam kondensat pada sekitar 90 °C, sementara air pengganti masuk pada 28 °C (angka latihan). Panas yang hilang sekitar $300 \times 4{,}19 \times 62/3.600 = 21{,}6$ kW, ditambah air lunak sekitar $300 \times 4.000/1.000 = 1.200$ m³ setahun yang harus diolah ulang.

Contoh 9. Pemuaian pipa. Pipa baja 50 m dipanaskan dari 30 °C sampai 175,4 °C dengan koefisien muai sekitar $12 \times 10^{-6}$ per K: $\Delta L = 12 \times 10^{-6} \times 50 \times 145{,}4 = 0{,}087$ m, sekitar 87 mm, yang harus diserap lengkung pemuaian atau sambungan muai di antara jangkar.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan laporkan bila:

1. Pipa uap berbunyi seperti dipukul. Tutup katup perlahan bila aman, buang kondensat, dan cari penyebabnya sebelum membuka lagi.
2. Perangkap, saringan, atau flens akan dibuka sementara pipa masih bertekanan atau berisi kondensat panas; isolasi kedua sisi, buang tekanan, dan buktikan nol seperti di bab isolasi energi non-listrik.
3. Katup pengaman di hilir katup penurun tekanan tidak ada atau tidak bekerja, atau jalur pintas terbuka.
4. Tekanan di peralatan melewati tekanan rancang peralatan itu.
5. Kebocoran uap terlihat dari sambungan; jangan mendekat dengan tangan, karena uap hidup hampir tidak terlihat di dekat lubang.
6. Pipa melengkung, tumpuan patah, atau sambungan peralatan tertarik oleh pemuaian.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Awan putih dari saluran kondensat berarti perangkap bocor." Uap kilat selalu terlihat; uap hidup yang bocor terlihat sebagai semburan bening terus-menerus.

"Satu perangkap cukup untuk beberapa mesin." Perangkap bersama membuat mesin dengan tekanan lebih rendah menahan kondensatnya.

"Palu air hanya bunyi." Hantaman kondensat dapat memecahkan katup dan kaca intip.

"Schedule 40 berarti tahan 40 bar." Schedule adalah deret tebal dinding; tekanan izin bergantung pada ukuran, bahan, suhu, dan standar.

"Kondensat hanyalah air buangan." Kondensat adalah air lunak panas yang menghemat air, kimia, dan bahan bakar bila dikembalikan.

"Pipa yang lebih besar selalu lebih baik." Pipa terlalu besar lambat panas dan kehilangan panasnya besar.

Hubungan dengan bab lain

Bab sifat uap memberi tabel uap dan uap kilat, bab boiler dan bab pengolahan air boiler mengapit bab ini, Bab 16 · Laundry kebutuhan panas laundry, Bab 1 neraca utilitas dan kondensat, bab panas dan uap dan bab isolasi energi non-listrik keselamatan membuka pipa, Bab 12 · Bangunan & Fasilitas katup, Fisika 208 isolasi, dan Fisika 183 pemuaian.

Latihan dan pembahasan

Untuk setiap soal, tuliskan rumus, hitungan, atau alasannya.

1. Pipa uap 30 m bermassa 5,44 kg/m dipanaskan dari 30 °C sampai 158,9 °C (uap 5 bar, $h_{fg} = 2.085$ kJ/kg) dengan kalor jenis baja 0,49 kJ/(kg·K). Berapa kondensat yang terbentuk?
2. Lubang perangkap yang bocor melepaskan 3 kg/jam uap. Berapa ton uap yang hilang dalam 4.000 jam?
3. Pipa baja 20 m memuai dari 30 °C sampai 133,7 °C dengan koefisien $12 \times 10^{-6}$ per K. Berapa pemuaiannya?
4. Mengapa cabang uap diambil dari atas pipa utama?
5. Mengapa peralatan berkendali suhu sering memerlukan perangkap pelampung dan termostatik?
6. Mengapa suhu hilir perangkap tidak cukup untuk membuktikan kebocoran?

Kunci jawaban beralasan

1. Massa baja $30 \times 5{,}44 = 163$ kg; panas $163 \times 0{,}49 \times 128{,}9 = 10.300$ kJ; kondensat $10.300/2.085 = 4{,}9$ kg.
2. $3 \times 4.000 = 12.000$ kg, yaitu 12 ton uap per tahun dari satu perangkap yang bocor kecil.
3. $\Delta L = 12 \times 10^{-6} \times 20 \times 103{,}7 = 0{,}025$ m, sekitar 25 mm yang harus diserap belokan.
4. Kondensat mengalir di dasar pipa utama; mengambil dari atas mencegah kondensat ikut masuk ke peralatan.
5. Katup kendali dapat menurunkan tekanan kumparan sehingga perlu perangkap yang membuang kondensat terus-menerus pada beda tekanan kecil.
6. Uap kilat dari kondensat yang sehat juga panas, sehingga hilir selalu panas walaupun perangkap bekerja benar.

Referensi